온도 계측의 역사와 국제 온도 눈금

온도 계측의 기원은 인간의 건강을 진단하고 치 료하는 목적으로 체온을 측정하였던 고대 그리스 의 온도 계측 역사가 가장 오래된 것으로 보고 있 지만, 최초의 실용적인 온도계는 1592년 갈릴레 오(Galileo Galilei)에 의해 만들어진 기체 온도 계이다. 유리관 온도계는 1654년 페르디난드(Tuscany Ferdinand) 2세에 의해 알코올을 밀봉한 유리관 온도계가 발명되었으며, 이로써 17세기 중엽부터 알코올 유리관 온도계가 널리 사용되기 시작했다. 1706년 파렌하이트(Fahrenheit)가 수은을 사 용하여 유리관 온도계를 만들었고, 비슷한 시기에 아몬톤스(Amontons)는 기체의 부피 팽창을 이 용한 기체 온도계를 만들었다. 1742년 셀시우스(Celsius)가 물이 어는 온도를 0, 물이 끓는 온도를 100으로 하고 이를 100 등 간하는 온도 눈금을 제시하였는데, 이 온도 눈금 이 지금의 섭씨 온도 눈금이다. 1821년 지벡(Thomas Johann Seebeck)이 열 전효과를 발표하였고, 1826년 베크레트에 의해 백금-팔라듐 열전대가 최초로 제안되었으며, 1885년 르샤트르가 백금 로듐 - 백금 열전대를 개발하여 소개한 이후 여러 종류의 열전대들이 만 들어져 온도 측정에 사용되기 시작하였다. 20세기 중엽부터는 열전대가 표준화되어 폭넓 은 분야에서 사용되기 시작했고, 1955년 슈나이 더는 고온 영역에서 온도를 계측하는 용도로 텅스 텐-레니움 열전대를 개발하였다. 한편 1900년경 플랑크에 의해 복사온도계가 최 초로 고안되었으며, 전자 산업이 발전한 지금에 이르러서는 물체의 복사 에너지를 광학적인 접근 법을 사용하여 비접촉형 온도 계측의 기원을 이루 었다. 이렇게 발전한 온도계는 19세기 말에 백금 측온 저항온도계와 백금 로듐-백금 열전대가 실용적인 온도계로 개발되었고, 이에 힘입어 1927년에는 국제 온도 눈금(ITS-27)을 채택하기에 이르렀다. 이러한 실용 온도눈금인 국제온도눈금은 국제 규약에 따라 제정된 미터 조약이 파리에서 체결되 고 50여년이 지난 후에야 열역학적으로 정의된 실용적인 온도눈금 제정의 요구에 따라 국제 실용 온도눈금의 제정이 가능하게 되었다

 

(1) 국제 온도 눈금 ITS-27(1927년)

ITS-27은 기체온도측정법으로 열역학적 온도 를 직접 측정하는 어려움과 국가 간의 서로 다른 온도눈금 사용의 문제점을 극복하기 위하여 제 7 차 도량형총회(CGPM)에 채택된 국제 온도눈금 이다. 여기에서는 온도눈금의 측정 재현성에 큰 관심 을 갖고 행해졌으며, 산소의 끊는 온도, 금의 응 고 온도 사이에 여러 개의 온도 측정 정의 정점을 정의하고 이들 고정 온도점에 의해 온도계를 교정 하도록 함으로써 온도눈금의 표준화를 기대하였 고, 보다 낮은 온도 영역에서는 백금저항온도계 를, 660℃ 이상의 온도에 대해서는 백금-로듐 백 금 열전대를, 금의 응고점 이상의 온도에 대해서 는 광고온계를 기준온도계로 사용하도록 권장하 였다.

 

(2) 국제 온도눈금 ITS-48(1948년)

ITS-48은 1948년 제 9차 국제 도량형총회 (CGPM)에서 채택되었으며, 백금저항온도계의 하한 온도를 -190℃에서 산소의 끓는 온도인 -182.97℃로 변경하였다. 백금저항온도계와 열 전대를 이용한 온도 측정 교차점을 660℃ 대신에 안티몬(Sb)의 응고 온도인 대략 630℃로 수정(이 온도는 나중에 온도의 비정확성으로 인해 온도 정 의 정점에서 없어졌다.) 했고, 은의 응고 온도점이 960.5℃ 대신 960.8℃로 개정하였다. 한편 금의 응고 온도점 이상의 고온 영역 온도 를 측정하는 용도인 광고온계를 빈(Wien)의 복사 공식에서 플랑크(Planck)의 복사 공식으로 대체 하였고, 2차 복사 상수 또한 1.432×10-2mK에서 1.438×10-2mK로 바뀌었다. 백금저항온도계 및 열전대에 대해서도 내삽공식 에 사용하는 상수를 수정했으며, 광고온계의 λT 값 의 사용 한계를 가시광선의 범위인 λT＜3×10-3 mK로 변경 사용할 것을 권고 하였다

 

(3) 국제 실용온도눈금 IPTS-48(1960년)

제 10차 국제 도량형 총회에서 이미 물의 삼중 점을 유일한 열역학적 온도 정의 정점으로 채택하 여 ITS(International Temperature Scale)에서 IPTS(International Practical Temperature Scale)로 온도눈금의 용어를 개정하였고, 1960년 제 11차 국제 도량형 총회에서 ITS-48을 IPTS48로 수정 채택하였다. 물의 어는 온도인 0℃ 온도가 일정하지 않다는 것이 발견되면서, 물의 삼중점(고체, 액체, 기체 가 공존하는 열역학적 상태 온도로 0.01℃임이 밝혀짐)으로 바뀌었다. 또한 유황의 끊는 온도인 444.6℃와 아연의 응고 온도인 419.505℃를 온 도 정의 정점으로 추가 하였다. 또 백금저항온도계 및 열전대의 내삽 공식에 사 용되는 상수의 한계에도 변경되었다. 고온 영역의 온도 측정을 위해 가시형 광고온계 를 사용하도록 했던 것에서“가시형”이라는 말을 제외한“광고온계”라는 말로 대치하였다. IPTS-48이 IPTS-60으로 불리지 못했던 것은 ITS-48에 대한 개정의 수준으로 나머지 온도에 대하여는 ITS-48과 거의 같았기 때문이라고 전 하고 있다.

 

(4) 국제 온도눈금 IPTS-68(1968년)

1968년 국제 도량형 총회(CGPM)에서 결의된 IPTS-68을 국체 도량형 위원회(CIPM)에서 발표 했다. 82 C &I 2007. 8 연재 IPTS-68은 IPTS-48에서 많은 부분 개정되었 으며, 특히 온도눈금을 열역학적 온도눈금과 더욱 일치 시키도록 하였다. 또 온도 정의 정점 하한이 평형 수소의 삼중점 온도인 13.81K으로 낮아졌으 며, 또한 0.5K~5.2K 온도 표준도 제정 되었다. 이와 더불어 평형 수소의 응고 온도 인 17.042K, 평형 수소의 끊는 온도가 20.28K, 네 온의 끓는 온도 27.102K, 산소의 삼중점 온도 54.361K이 정의 정점으로 추가되었으며, 물의 끓 는 온도 대신 주석의 응고 온도인 231.9681℃를 사용하고, 유황의 끓는 온도점은 정의 정점에서 삭제되었다. 또 4개의 정의정점 온도가 수정되어 산소의 끓는 온도는 90.188K, 아연의 응고점 온 도는 419.58℃, 은의 응고점 온도는 961.93℃, 또 금의 응고점 온도는 1064.43℃로 수정되었다. 이것 외에도 백금저항온도계 사용 영역의 내삽 공식이 개정되었고, 백금 저항온도계와 열전대의 내삽공식 상수의 허용 한계도 수정되었으며, 광고 온계의 2차 복사 상수 C2가 1.4388 X 10-2mK로 정해졌다.

 

(5) 국제 온도눈금 IPTS-68:75(1975년)

IPTS-68 국제 온도눈금을 1975년 제 15차 국 제 도량형 총회(CGPM)에서 채택하였으며, IPTS-48 때 처럼 미미한 수준에서의 개정만 이 루어 졌다. 산소의 끓는 온도 대신 산소의 응고 온 도를 사용하고, 산소의 응고 온도 대신 알곤의 삼 중점 온도인 83.798K, 네온의 삼중점 온도인 24.5561K을 온도 정의 정점에 추가하였으며, 일 부 정의 정점들이 폐지되었다.

 

(6) 잠정적 온도눈금 EPT-76(1976년) 1976년

0.5K~30K의 잠정적 온도눈금이 두 가지 중요한 온도 측정상의 문제점을 해결하기 위 해 제시되었다. 그 첫 번째가 27K 온도 이하에서 IPTS-68이 1958년 4He 및 1962년 3He 증기압 온도눈금을 포함되었지만, 이것에 큰 차이가 있어 IPTS68:75에서 폐지되면서, 5.2K~13.81K 사이의 국 제 온도눈금이 부재됨으로 이에 대한 대책이다. 둘째는 27.1 K에서 IPTS-68과 연속성을 가지 면서 열역학적 온도와 가능한 일치 시키고자하는 내용이었다.

 

(7) 국제 온도눈금 ITS-90(1990년)

1987년 제 18차 국제 도량형 총회(CGPM)의 결의에 따라 1989년 국제 도량형 위원회(CIPM) 에서 채택하였으며, 이 ITS-90에 와서는 IPTS68:76에 EPT-76을 대체하여 개정하였다. ITS-90에서는 IPTS-68에서의 물의 삼중점을 기준으로 열역학적 온도눈금인 273.15K으로 정 의하여 일치하도록 개정하였고, 630-1064℃ 온 도 영역에서의 온도 정확도를 10배 이상 끌어 올 렸다. 즉 t/℃ = T/K - 273.15로 ℃를 정의하였 으며, 물의 삼중점 온도가 0.01℃인 열역학적 온 도인 273.16K이 된다는 내용이었다.